钢管混凝土拱桥中自密实混凝土的质量控制要点

2017-04-21杨雄杰李明锋

商品混凝土 2017年4期

关键词：泵送钢管混凝土

杨雄杰，李明锋

（中交四公局（北京）公路试验检测科技有限公司，广东深圳 518040）

钢管混凝土拱桥中自密实混凝土的质量控制要点

杨雄杰，李明锋

（中交四公局（北京）公路试验检测科技有限公司，广东深圳 518040）

钢管混凝土结构的特殊性决定了其混凝土的独特性，其灌注的自密实混凝土应具有良好的流动性、粘聚性、可泵性、抗离析性及自密实的性能，因而其质量控制显得尤为关键和重要。本文以陕西宝汉高速公路石门水库特大桥混凝土灌注案例为基础，重点系统性地阐述了钢管拱桥中浇筑自密实补偿收缩混凝土的质量控制要点，并对以后同类工程混凝土的施工质量控制提供借鉴和指导意义。

钢管拱桥；自密实补偿收缩混凝土；顶升压注；质量控制要点；密实度检测

1 工程概况

石门水库特大桥是陕西宝汉高速坪坎至汉中石门段重要的控制性工程，设计为有推力的中承式钢管混凝土拱桥，左右幅分离，桥跨布置为 2×13m 预制空心板+262m 跨径钢管混凝土拱+2×16m 预制空心板，计算跨径 248m，计算矢跨比 1/4，拱轴线为 m=1.5 的悬链线。拱肋为钢管混凝土桁架结构，断面为哑铃形，主拱肋外径为 950mm，内填充 C50 自密实补偿收缩混凝土。该桥造型独特、优美，享有“西北第一跨”的美誉。

2 施工方法简介

钢管混凝土的浇筑主要有三种方法：人工逐段浇捣法、泵送顶升压注法和立式高位抛落灌注法，根据本工程的实际情况，选择泵送顶升压注法进行施工。即从钢管两侧拱脚处开孔并装上有阀门的进料口，拱顶处设置排浆孔，进料口接上混凝土泵车的泵管，在压力的作用下对称的进行顶升压注，无需振捣使混凝土达到密实状态。毫无疑问混凝土拌合物的质量是决定钢管混凝土浇筑成功与否的关键因素。

钢管混凝土泵送顶升工艺为：泵送水（0.3～0.5m3）→同配合比砂浆（约 1m3）→泵送 C50 自密实补偿收缩混凝土→排浆孔冒出新鲜混凝土（约 1.5m3）→关闭止浆阀→完成压注。泵送施工过程应保持输送泵储料斗内混凝土量不少于料斗容量的一半，采用高压泵送，且不得反泵。

3 自密实补偿收缩混凝土的工作机理

自密实混凝土具有高工作性、抗离析性、间隙通过性和填充性。按照流变学理论，新拌混凝土属于宾汉姆流体，其流变方程为：τ=τ0+ηⅹγ（τ 为剪切应力；τ0为屈服剪切应力；η 为塑性粘度；γ 为剪切速度），其中 τ0是阻碍塑性变形的最大应力，τ 为在外力作用下混凝土拌合物内部产生的剪切应力，在 τ≥τ0时混凝土产生流动；η是拌合物内部组织其流动的一种性能，其越小则在相同外力作用下流速越快，因此 τ0和η是反应流动性的主要流变参数，自密实混凝土的配制就是通过各材料的比例组成使所得混凝土的屈服剪切应力 τ0减小到适宜范围同时又具有足够的塑性粘度η，使集料悬浮于水泥浆中，不出现离析和泌水且能自流平填充，形成密实且均匀的结构，对于混凝土本身会存在一定的收缩，所以通过加入一定量的膨胀剂来补偿混凝土自身的收缩，以达到与钢管壁的良好黏结，有效的发挥好钢管混凝土形成的“套箍效应”。自密实补偿收缩混凝土施工配合比控制主要就是在众多变化的因素中寻求相对的稳定，加强动态质量控制，以获得具有良好流动性和工作性能的高品质混凝土。

4 施工前的准备工作

4.1 完善施工前的相关制度

施工前必须明确配合比审批制、岗位责任制、施工技术和安全交底制度。本项目的自密实补偿收缩混凝土配合比严格按照 JGJ/T 283—2012《自密实混凝土应用技术规程》、JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》、GB 50923—2013《钢管混凝土拱桥技术规范》及设计文件进行设计，并历经“验证→评审→批复”等程序。

钢管中混凝土浇筑工序是一个系统性的、有组织性的作业，对参与到这个系统中的人员都必须落实相关制度，尤其对于现场技术人员和试验人员，必须明确其岗位职责，强化质量意识，加强思想教育，并做好技术交底工作。技术交底可以使每个人在施工中任务明确、衔接得当，促进浇筑作业顺利完成。

4.2 确定相关参数

4.2.1 拌合机称量系统的校准

计量系统的准确是混凝土拌合的基础保证，混凝土拌合前使用自备的标准砝码对拌合称量系统进行静态校准，并在正常的拌合生产中进行动态偏差的校准，当材料称量超过允许偏差，应通过调整落差值或更换匹配的传感器等方法来解决，水和外加剂对混凝土性能影响较大，尤其注意其偏差情况。各材料的允许偏差如表 1 所示。

表1 每盘混凝土原材料的允许偏差

4.2.2 试拌及单盘拌合时间的确定

对混凝土的拌合，依据 GB 50164－2011《混凝土质量控制标准》中要求，对高性能混凝土搅拌时间在 60s 基础上应适当延长，一般延长 30s，但因各设备的型号、拌合方量及磨损程度不同而不能一概而论，有必要进行试拌作业确定相关参数，可以在核查混凝土拌合物指标的同时，检查允许偏差和对比不同搅拌时间下混凝土状态情况，本项目所用的混凝土拌合机为三一重工生产的 HZS90 型强制式搅拌机，经对比拌合时间，确定在 120s 时可以获得拌合均匀、状态良好的混凝土。需要指出的是，混凝土的拌合时间指的是所有材料进入搅拌缸开始搅拌至出料的时间。此次试拌混凝土的检测指标为：初始坍落度为 240mm，扩展度为 620mm，倒锥 T500为11.2s；同时为模拟现场坍落度损失，将拌合物存储于混凝土罐车中，3h 后测定：坍落度为 230mm，扩展度为 600mm，拌合物均匀、未离析、未泌水、粘聚性良好，坍落度损失小，各性能指标均符合设计要求，满足进行正常施工作业的性能。

5 原材料进场的质量控制

进场材料的控制主要是从数量和质量两方面进行的：

（1）对混凝土拌合所用的原材料分类储存，做好标识。其规格型号及生产厂家必须与配合比设计时一致，进料数量比一次压注所需的数量要有富余，尽量避免中途材料的进场。尤其是砂子，其含水率的变化，直接影响砂率和单位用水量，继而影响混凝土的性能，会增加控制难度。

（2）严控进场材料质量，坚决拒绝不合格材料的进场和使用。在现场可通过目测、手感及便携工具等进行初步验收，尤其是砂子、碎石，细度模数过大、级配较差、含泥量较大的批次禁止入场。夏季施工严控进场水泥的温度，避免热水泥的进场直接使用。粉煤灰的初步检验可观察其外观及细度，品质优良的 F 类 Ⅰ 级粉煤灰颜色较浅，色泽一致，细度较细，还可用 100 倍的手持显微镜进行观察，显微镜下的Ⅰ 级粉煤灰会呈现出密密麻麻大小不同发亮的玻璃微珠，若颜色发黑、看不到玻璃珠的粉煤灰可当场拒收。膨胀剂的初步验收可观察其色泽和细度，并进行啤酒试验快速测其膨胀性能。初步验收后在使用前须按频率及时进行自检或委托第三方进行检测，确保所使用材料符合设计及规范要求。

6 自密实混凝土拌合物质量控制

6.1 自密实混凝土的流动性能的控制

自密实混凝土的工作性能优越，坍落度扩展大，对材料比较敏感，在其他材料稳定的前提下该配合比控制的关键就是单位用水量，自密实混凝土对水敏感，过多会增大混凝土的离析，过少会使得流动性能达不到要求，难以泵送，影响浇筑。而这一部分引起变化的水的来源，主要就是骨料含水率的变化，为此在浇筑工作开始之前便与物资部门沟通，确保每次进场骨料的数量必须充足，质量稳定，而且在浇筑过程中，试验室每小时检测一次骨料含水率情况，尽量减少因材料波动因素对混凝土产生的影响。有研究表明每方混凝土增减 5kg 的用水量会对强度产生 1MPa 左右的影响。

膨胀剂的加入必须足量有效。在钢管和混凝土的粘结中膨胀剂扮有重要的角色，自密实混凝土在逐渐水化过程中体积会产生一定的收缩，而膨胀剂的作用就是补偿这一部分收缩，使得混凝土与钢管贴的更紧密，更好的发挥钢管混凝土结构的“套箍效应”，提高承载力，提高耐久性。

混凝土的现场施工质量控制，3d 强度不低于 40MPa，28d 不低于设计值并满足评定要求；拌合物的性能指标也要严格按照规范和设计进行控制，自密实混凝土属于大流态混凝土，要求混凝土拌合物粘聚性好，不离析、不泌水，初始坍落度 (230±30)mm，初始扩展度为 500～650mm，T500时间 5～20s，保坍性能良好，3h 损失不大于 30mm，初凝时间12～16h。

自密实混凝土拌合严格按照换算后的施工配合比进行，各指标按照设计时的指标进行控制，合理做好人员分工，发挥好团队协作能力。我项目在混凝土浇筑作业中，两台搅拌机和施工现场均有经验丰富的专职试验人员进行质量控制，随时做好混凝土的监测工作，出站前和现场浇筑前均要观察粘聚性和流动性并进行坍落度试验（图 1），检测坍落度、扩展度、 T500指标是否符合要求，并密切关注坍落度损失情况，及时做好沟通，反馈现场施工情况，做好记录。混凝土在浇筑过程中出现坍落度过大或过小的情况必须及时调整并查找原因，根据坍落度的大小范围可微调外加剂的掺量来获得良好性能的混凝土；在外加剂调整仍无法获得良好效果时，可在水灰比保持不变情况下，适量调整水泥浆，改善拌合物的坍落度及工作性能，两种方法也可以结合使用，以确保入泵混凝土性能的良好。

图1 现场进行的坍落度、扩展度试验

表2 允许间歇时间

需要指出的是混凝土性能的控制不能仅仅停留在符合设计坍落度 200～260mm、扩展度 500～650mm 这一层次上，而应考虑实际情况在此范围内进一步加强控制，以减少混凝土拌合物的波动性，这样利于混凝土泵送压力和压注速度的稳定性及混凝土的均匀和密实性。我项目在混凝土过程控制中入泵坍落度控制在 220～240mm，扩展度控制在550～620mm，T500时间 9～15s，实践证明混凝土在此状态下泵送压力稳定可靠，混凝土密实。

6.2 自密实混凝土拌合物温度的控制

环境温度、拌合物本身温度过高会直接影响混凝土坍落度损失，影响混凝土的泵送。自密实混凝土要求 3h 损失不大于 30mm，必须控制好混凝土的温度，水泥粉煤灰进场温度不大于 50℃，骨料采用遮阳措施，控制混凝土的出机温度不大于 35℃。当环境气温高于 30℃ 时，为避免管内混凝土坍落度损失过快，造成混凝土堵管，宜采取措施降低钢管温度，如盖湿麻袋或浇水等措施。夏季施工时应避开温度较高的时候，宜选择在气温较稳定且较低的时刻进行浇筑。我项目混凝土的浇筑作业时，环境温度在 16～32℃，为确保顺利进行浇筑，在开始前的两个小时不停地对钢管淋水，并选取在凌晨三点开始拌合。因进场材料及环境温度控制得当，浇筑作业中混凝土入泵温度在 25～29℃ 之间，符合控制要求。

6.3 钢管内混凝土密实度的控制

自密实混凝土良好的和易性是保证管内混凝土密实的基础，但在此基础上还应加强施工工艺中对密实度的控制。在对称顶升至拱顶后，从排浆孔依次冒出的是水、水泥砂浆、自密实混凝土，因压注时间较长可能部分砂浆和混凝土混合，此时必须做好观察，确定从排浆管排出合格、均匀的混凝土（约 1.5m3）后方能停止泵送，再待 3～5min 后继续泵送3～5 个行程，如此重复 3～5 次，尽可能的排出钢管混凝土中的气体，保证管内混凝土填充密实；全部混凝土泵送完成后，关下压注口的倒流截止阀，待混凝土终凝后拆除倒流截止阀并进行补焊。

7 钢管内混凝土的质量检验

钢管内混凝土质量的检验分为对标准试件的检验和现场的检验两个方面。

（1）在钢管混凝土施工过程中施工现场留置的150mm×150mm×150mm 试件是强度检验的标准试件，所留组数符合要求。项目在施工期间留置包括同养和标养共六组试件，并经检验力学性能均符合设计要求。

（2）现场的检测常用的有敲击法和超声波检测法，敲击法是通过声音来分析管内混凝土的密实情况，用质检专用的3# 钢锤进行敲击检查，一般在 7d、28d 龄期进行检查，沿钢管周边等距离选取若干点从底部向顶部进行敲击，依据声音判断密实情况。超声波检测法是使用超声波检测仪在截面位置布点，在钢管外径的一端利用发射换能器辐射高频振动，经钢管混凝土作为介质传播向钢管外径的另一端的接收换能器，根据传播的声时、声幅及频率进行测试，以确定混凝土是否存在缺陷及缺陷范围，其传播方式如图 2 所示。

图2 超声波在钢管混凝土中的传波方式

根据 GB 50923－2013《钢管混凝土拱桥技术规范》要求，钢管混凝土拱肋脱粘率不得大于 20%，或脱粘空隙厚度不大于 3mm，否则应进行补强处理。我项目在混凝土压注完成规定龄期后进行委托第三方敲击法和超声波进行检测，测定结果混凝土密实、均匀，指标符合规范要求，并经业主第三方进行检测结果一致，进而表明了我项目在混凝土浇筑阶段所采取的措施和方法是行而有效的。